地铁车站洞桩法施工时群洞效应对比分析

李金奎， 陈 朋

(1.大连大学建筑工程学院，大连 116622；2.大连市隧道与地下工程中心，大连 116622)

中国经济的高速发展必将带动交通的发展，如进入新世纪以来地铁的高速发展。在地铁建设过程中由于城市用地空间的约束，大部分地铁都选择了地下暗挖施工方法。这种施工方法减少了施工占地面积而且降低了对周边环境的影响，其中地铁车站的施工是整个地铁工程施工过程中的节点工程。在中国成功应用的地铁修建工法有明挖法、暗挖法、盖挖法、洞桩(pile-beam-arch, PBA)工法、盾构扩挖法及特殊工法等。由于每种工法都有其施工原理和各自的适用条件，所以在选择施工工法时，不仅要考虑经济条件和工程地质条件，还要兼顾到周围施工的环境和水文条件等其他条件[1-2]。

在地铁车站施工工法中，PBA工法施工所产生的地表沉降较小，因而是修建浅埋地铁车站中首选的一种工法。王峥峥等[3]根据大连地铁松江路车站运用数值模拟的方法研究了地铁车站采用洞桩法施工对地层沉降的影响，得出地表沉降槽受群洞的影响明显；杜建华等[4]结合北京地铁10号线一期工程光华路地铁车站，运用FLAC3D模拟了5种施工方法所产生的影响，得出了中洞施工的最佳顺序；刘明[5]结合徐州某地铁车站研究了大空间地铁车站采用洞桩法施工的力学效应，得出了小导洞施工对地表沉降影响较大的结论；秦晓英[6]结合北京地铁10号线工体北路站，通过数值模拟对比了采用PBA工法和交叉中隔壁法(center cross diagram，CRD)法施工产生的地表沉降，得出了前一种工法累计的地表沉降仅为后一种工法的61%。为此，以大连地铁5号线为工程背景，midas-GTS为数值计算工具，运用正交试验的研究方法，对导洞施工顺序、施工方法和作业方式等因素在地表沉降中所起的作用进行研究。

1 工程概况

1.1 车站情况

大连地铁5号线是大连市的一条在建地铁线路，长23.8 km，共有7座换乘车站，其中劳动公园站为其中的一个换乘车站。大连地铁5号线于2017年8月正式开工建设，预计于2023年3月建成运营。劳动公园站位于解放路与自卫街交叉口处，沿解放路南北方向布置。劳动公园站起点里程为K7+531.659，终点里程为K7+722.859，长度为191.2 m，标准段宽度23.3 m。车站主体为地下两层岛式车站，站台宽14 m，车站顶板覆土约18.7～24.0 m。车站周边现状：东北侧为大连市第九中学，东南侧为18层、7层、3～4层居民楼，西侧为大连市第二十四中学，南侧为胜利东路高架桥，周边环境比较复杂，对施工要求比较高，施工过程中要尽量减少对周边环境的影响，把不利影响和施工风险降到最低，所以选用占地面积较小的地下暗挖法施工。

车站主体采用PBA暗挖法施工，主体结构和导洞位置如图1所示。导洞初期支护断面结构形式为直墙拱，边导洞内设置冠梁，导洞初支厚度为250 mm，导洞间顶拱采用300 mm初期支护，端部嵌固在冠梁内，侧壁采用竖向格栅和砂浆锚杆支护形式，局部地质较差部位采用φ1 000灌注桩，间距为5 000 mm。

图1 车站主体结构和导洞位置Fig.1 Station main structure and guide hole location

1.2 工程地质

根据岩土的时代成因和工程特征，车站施工范围内地层由上至下各层为素填土、粉质黏土、强风化板岩、中风化辉绿岩。车站所处的中风化灰绿岩为V级围岩，强风化板岩层为IV级围岩。岩土参数情况如表1所示。

表1 地层岩土参数Table 1 Stratum geotechnical parameters

2 数值计算

2.1 计算模型

使用有限元软件midas-GTS进行数值模拟[7-8]。模型尺寸选为60 m×30 m×60 m，车站的轴向长度选为30 m，高度为60 m，宽度为60 m，模型原点定在两层导洞平面对称轴的交点上，这样有利于进行地表的变形分析。根据工程的实际岩土勘察报告将地层分为4层：素填土、粉质黏土、强风化板岩和中风化辉绿岩，以符合工程的实际情况。在初期支护之前用小导管注浆的办法加固地层，超前注浆加固通过改变岩层的参数来实现，初期支护为C25喷射混凝土，在模型中采用析取单元的方法建立初期支护衬砌结构。导洞编号及位置如图2所示。

图2 导洞编号及位置Fig.2 Guide hole number and position

2.2 正交试验设计

试验设计主要是数理统计中一种试验方法，在试验中主要包括试验因素和试验水平。采用正交试验来确定数值模拟方案的个数，在导洞开挖过程中主要涉及到开挖方式、开挖顺序、开挖步距、作业方式4个因素，每个因素又包含不同的水平，具体的水平分布如下。

(1)开挖方式。导洞的主要开挖方式有全断面法、台阶法、中隔壁法(center diaphragm，CD)法和CRD法。因为采用PBA法修建地铁车站，需要在导洞中进行边柱、边梁、顶纵梁等修建，所以选择有利该工法实施的全断面法、台阶法和CD法。该因素共3个水平。

(2)开挖顺序。导洞的开挖顺序有先上层开挖后下层开挖、先两边开挖后中间开挖的顺序，不同的开挖顺序地表的响应情况会有一些差别。开挖顺序具体可分为a:1导洞→4导洞→2导洞→3导洞→5导洞→6导洞；b:5导洞→6导洞→1导洞→4导洞→2导洞→3导洞；c:2导洞→3导洞→1导洞→4导洞→5导洞→6导洞。该因素分为3个水平。

(3)开挖步距。主要是在开挖过程中无论是采用全断面法还是台阶法等都会有开挖步距的存在，不同的开挖步距会涉及到导洞支护方式的选择和开挖断面上应力释放的效果。该因素设置开挖步距1、1.5和2 m 3个水平。

(4)作业方式。多个导洞施工的过程中可以采用同步作业的方式，也可以采用流水作业的方式。同步作业的方式就是两个或者多个导洞同时施工，但这样的施工方法各导洞之间的相互影响会更大一些，在施工过程中要注意地表变形，加强施工过程中的监测；采用流水作业的方式就是每导洞按照安排好的顺序施工，这样就不会相互影响，但是工期会相应地比同步作业的长。该因素设置两个水平。

根据所研究涉及的4个因素，每个因素又分为不同的水平，所以选用混合水平正交试验，并且以地表沉降值作为试验结果的分析指标，混合正交表的因素和水平如表2所示。

表2 混合正交试验因素与水平Table 2 Mixed orthogonal test factors and levels

这是一个三因素三水平和一因素两水平的混合正交试验，所以选用L9(21×33)混合水平正交试验表，共9个试验方案，具体的正交试验及结果如表3所示，正交表中A、B、C、D各代表一个因素，每一行代表了一个模型试验方案，例如试验号1：A1B1C1D1为运用全断面法、采用循环顺序为a、开挖步距为1 m、流水作业开挖导洞的方案。

表3 混合正交试验结果Table 3 Mixed orthogonal test results

3 计算结果分析

按照极差分析的方法对混合正交试验结果进行分析，各因素不同的水平会对试验产生不同的影响，根据极差的大小，可以判断出哪个因素对试验的影响最大，该因素在实际工程所产生的影响也可能就越大，并根据实际工程的情况进行重点防控[9-11]。根据试验结果对各因素的极差进行排列：R4>R3>R1>R2，因此各因素影响的主次关系为作业方式、开挖步距、开挖方式、开挖顺序。图3所示为各方案数值模拟所得到的地表沉降，从中可以看出虽然各个方案的施工方法、作业方式等并不相同，但是所有的试验方案所产生的地表沉降却是大致一致的。

图3 地表沉降曲线Fig.3 Surface settlement curve

从图4中可以详细地分析出各个因素与地表沉降之间关系。

图4 因素水平关系Fig.4 Factor level relationship

3.1 地表沉降和开挖方式(因素A)的关系

开挖方式表现出了单个导洞施工方法的问题。采用不同的方法施工导洞会和地铁修建工期、经济成本和机械设备周转等产生直接关系。根据极差分析可知，开挖方式是影响地表沉降的第三重要因素，因此在地表沉降中占有重要的地位。在试验中共设置了全断面法、台阶法和CD法3种开挖方式，从计算结果中可以看出，采用台阶法开挖所产生的地表沉降最小。这是因为采用台阶法中蕴含了“化整为零”的思想，而全断面法开挖，一次开挖整个断面，整个断面上的应力全部释放，所产生的地层响应效果是不利的。采用台阶法则不然，在施工过程中把整个断面分为上下两个台阶，开挖完成一个台阶后进行支护一次，应力分为多次释放，不会对地层产生不利的影响。应力释放过程是个缓慢的释放过程，所以在地表沉降方面的影响也会进一步减小，所以对于控制地表沉降是有利的。然而在采用CD法施工过程中，虽然地表沉降也得到了一部分的控制，略小于全断面法，但是在施工的过程中把整个断面分为左右两部分，而且在初期支护方面，会在导洞横断面内产生一个中隔面，施工工作面小，不利于PBA工法施做。

3.2 地表沉降和开挖顺序(B因素)的关系

在试验结果中可以得到，本次试验无论是采用先两边、中间然后下层的施工方法还是先下层后上层的施工方法对地表沉降都不会产生太大的影响。这主要是因为，首先本工程的实际情况是地铁车站埋深较大，而且整个车站都处在中风化辉绿岩之中，其次上层是较为稳定的强风化板岩，岩层的差异性较小，再次是各导洞的层距较大，导洞之间的相互影响较小，所以无论是采用何种的开挖顺序对地表沉降的影响都较小。但是在施工中还是会根据工程的实际情况、施工的难易性和施工的风险等选择合适的开挖顺序，其中较为认定的开挖方式是先两边后中间的开挖方式，上下层之间的开挖顺序主要根据工程的特点来决定。

3.3 地表沉降和开挖步距(C因素)的关系

不同开挖步距的选择主要和工程的地质情况、机械设备和施工进度有关。试验中共设置了1、1.5和2 m 3个水平，采用不同的开挖步距与导洞支护方式也密切相关，从数据中可以看出，采用1 m的开挖步距地表沉降比较小，这与隧道“短开挖、强支护”[5]的施工原则是符合的，采用短的开挖步距，每次应力释放比较小，而且支护及时，所以地表沉降较小。但具体的开挖步距还和工程地质情况紧密相连，在比较容易开挖的地层中可以选择一些长进尺的施工步距，以加快施工进度。

3.4 地表沉降和作业方式(因素D)的关系

试验的结果分析可知，作业方式为最主要的影响因素，而且采用流水作业的方式所产生的地表沉降最小，主要是因为采用流水的作业方式，各导洞之间施工没有干扰，不会产生多导洞之间的耦合作用。采用何种的作业方式主要和支护方式、工期的要求有很大关系。采用比较强的支护方式进行施工的时，对岩层的变形约束较大，可以考虑采用同步作业的方式。但是采用同步作业的方式，施工风险比较大，一定要在安全的前提下进行导洞开挖，不能为了追求工期而不顾安全。在采用同步作业施工时，也可选用先两边后中间、先上层后下层的跳洞开挖方式，这样会减少各导洞之间的耦合作用，有利于工程安全。

3.5 最佳施工方案的选择

从上面分析可知：在开挖方式中选用台阶法能比较好地控制地表沉降；在开挖顺序中可以根据工程具体情况选用不同的方式，但建议选用先两边、中间、后下层的开挖顺序，这样的施工顺序比较有利于施工安排；在开挖步距中，可以优先选用1 m的开挖步距，这样的开挖步距虽然工序比较繁琐，但是地表沉降较小，在对地表沉降比较敏感的地下施工时可以选用1 m的施工步距；在作业方式上应选用流水作业的方式，这样的作业方式避免了多断面施工的交叉影响，而且施工风险低，地表沉降较小，是很合理的施工方式。因此最佳的施工方案是A2B1C1D1。

4 实际监测和数值模拟的对比分析

车站主体东侧为大连市第九中学，西侧为大连市第二十四中学，均为比较重要的建筑，而且在施工影响范围内管线主要有通线光缆、燃气管、污水管、自来水管等，周边环境比较复杂。为了把施工影响降到最低，应进行严格的施工监测[12-13]，主要进行地表沉降监测，进行监测数据的采集，并绘制沉降曲线图这样可以更好地了解在施工时地层及周边建筑的反映情况，一旦出现危险现象可以及时采取应急措施，使险情在掌控范围之内，不造成人身危害和财产损失。地表沉降监测布点图如图5所示。

图5 地表沉降监测布点Fig.5 Surface settlement monitoring

从图6中可以看出，地表沉降曲线的线型和数值模拟得到的线型是一致的，两条曲线在边界上基本重合，说明地下施工的影响是随着距离施工中心线逐渐减弱的，在施工中线上方形成了一个基本对称的沉降槽曲线，在对称中线上地表沉降达到最大值。实际监测沉降曲线在以中线左右各20 m范围内的地表沉降只略大于数值模拟得到的结果，所以在实际的工程中，要以数值模拟得到的结果作为参考，来预测地表沉降的大概趋势，必须进行工程的实际监测，来具体掌握整个工程范围内的地层变形情况。

图6 地表沉降对比分析Fig.6 Comparative analysis of surface settlement

5 结论

结合大连地铁5号线劳动公园站工程实践，运用有限元数值模拟和正交试验相结合的方法，研究了在采用PBA工法施工过程中与群洞效应有关的因素及对群洞效应的影响，结论如下。

(1)在采用PBA工法修建车站过程中会出现群洞效应，在产生的地表沉降中，导洞的作业方式起决定性作用。

(2)采用正交试验、数值模拟和极差分析的方法，能够合理地安排试验方案，确定了对地表沉降产生影响的因素的主次关系。

(3)得出了在大连滨海地区采用PBA工法施工过程中比较适合的导洞施工方案，即采用台阶法、先上层后下层、先两边后中间的导洞开挖顺序、开挖步距为1 m的流水作业方案能有效地控制施工过程中地层的变形反应情况，并且能有效地减少地面沉降，使地层的向上变形影响降到最低，能为后续的工程建设提供经验。

(4)通过实际工程监测和数值模拟的对比分析，发现地表沉降呈现出沉降槽的规律，并且实际监测和数值模拟得到的结果基本吻合，为地表沉降的预测提供合理的依据。